차시명: 11주차 제1강

주제: 제 5장 화석연료, 1부 – 지구상의 생물 – 생명의 탄생

[slide #1]

동기 유발:  인류는 산업혁명 이후 유래 없는 빠른 문명의 발전을 이루어 왔는데, 그 원동력이 된 것이 바로 화석 연료입니다. 오늘날 화석 연료 없는 인류는 상상할 수도 없습니다. 대부분 교통 수단의 연료, 각종 에너지, 수 많은 산업 재료 이 모두가 화석 연료로부터 얻습니다. 이 화석 연료는 과거에 살던 생물들이 현재의 인류에게 주는 크나 큰 선물입니다. 하지만, 혜택이 크면 그에 따라 그 대가도 큰 법입니다. 화석 연료의 사용은 수 많은 환경 문제를 야기합니다. 이 장에서는 지구의 생물 출현과 진화, 화석 연료의 생성, 화석 연료의 개발 및 이용, 화석 연료로 인한 환경 문제들에 다룹니다. 이를 통해 화석 연료와 화석 연료에 대한 환경 문제를 깊이 이해해서, 환경 문제를 최소화하고 화석 연료 사용 효율을 극대화하여 건강한 인류의 미래를 준비하는데 도움이 되었으면 합니다.

태양계에서 지구는 다른 행성들과 매우 다른 두 가지 특징을 갖고 있습니다. 그 하나는 (액체) 물의 존재이고, 다른 하나는 생명체의 존재입니다. 이는 지구의 환경이 다른 행성과는 매우 다르다는 것을 의미합니다. 이 단원에서는 이 두 특징 중 지구의 생명체에 대해 공부합니다. 지구 상에 생명체가 어떻게 생겨나고 진화해 왔는지, 이 생명이 우리에게 주는 여러 가지 이득들이 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

학습 목표: 지구 상에 생명체가 어떻게 탄생되었고, 최초 생명체의 증거에는 어떠한 것이 있는지 알아보자.

강의 타이틀: 5-1. 지구상의 생물 – 생명의 탄생

안녕하십니까? 이번 시간에는 우리 지구 상에 생명체가 어떻게 탄생하였고, 초기 생명체 존재의 증거는 어떤 것들이 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

[slide #2]

지구상에 생명이 어떻게 시작되었는지는 아직 정확히 알지 못합니다. 현재 과학자들이 대체로 동의하는 것은 무기적인 방법으로 생명체가 탄생했다는 ‘무기기원설(abiogenesis)’입니다. 무기기원설은 무생물적인 화학반응을 통해 무기물들로부터 유기물이 만들어지고, 이 유기물들이 모여, 좀 더 복잡한 유기물들을, 그리고 이것들이 모여 스스로 대사와 복제가 가능한 생명체가 만들어졌다는 가설입니다.

(Slide #3-#6, 아래 설명에 해당하는 인물 사진 삽입)

17세기 전까지 사람들은 생명체가 자발적으로 생겨난다고 믿었습니다. 이를 '자연발생설(spontaneous generation theory)'이라 하는데, 일정한 조건만 만족하면 부모 없이도 생명체가 저절로 생겨난다는 가설입니다. 현미경과 같은 과학적 관찰 기구가 부족한 상황에서, 사람들은 아무 것도 없던 빵에서 곰팡이가 생기고, 동물 시체에 구더기가 꼬이며, 바위에는 이끼가 덮이고, 진흙 속에서 지렁이가 꿈틀거리는 것을 보고는 생명이 저절로 생긴다고 생각하게 되었던 것입니다. 그러나 17세기부터 19세기에 이르는 일련의 관찰과 실험을 통해 이런 생각이 잘못되었음이 드러났습니다. 1668년 Francesco Redi는 고기에 파리가 알을 낳지 못하게 막음으로써 구더기가 생기지 않는다는 사실을 관찰했고, 1768년 Lazzaro Spallanzani는 공기 중에 미생물이 있어 이들을 끓여 살균할 수 있음을 보여주었으며. 그리고 마침내 1861년 Louis Pasteur는 일련의 실험을 통해 박테리아나 균류 생물은 저절로 생겨나는 것이 아니라 외부로부터 감염되어 온다는 것을 보여주었습니다.

무기기원설의 시초가 되는 것은 1924년 알렉산더 오파린이 그의 저서 ‘생명의 기원(Origin of Life)’에서 제시한 생명 탄생에 대한 가설입니다. 오파린은 원시 지구의 환경이 지금과는 몹시 달라, 파스퇴르 등이 틀렸음을 증명한 ‘자연 발생적 생명의 탄생’이 생물이 아직 존재하지 않는 조건에서는 가능했었다고 생각하였습니다. 그의 가설에 따르면, 원시 지구에서는 산소 결핍 환경 하에서 태양 에너지에 의해 유기물이 풍부하게 만들어질 수 있었습니다.  이렇게 만들어진 유기물이 바닷물과 섞여 있는 것을 ‘primeval soup’ 또는 ‘primordial soup'이라 불렀습니다, 우리 말로 하면 “원시 국” 또는 “원시 수프”정도 되겠습니다. 이런 유기물들이 모여 코아세르베이트 라는 구형 물질을 만들고, 이 것이 모여 점점 커지다가 분열에 의해 자신과 닮은 것을 만들면서 가장 원시적인 생명의 특징을 갖게 되었다고 하였습니다.

비슷한 시기에 존 할데인은 생명체 이전의 원시 바다에서 유기물이 만들어져 ’뜨거운 멀건 유기물 국‘과 같았을 것이라고 말했습니다.

[slide #7]

오파린과 할데인의 가설은 시카고 대학의 헤롤드 유레이가 지도하였던 대학원생 스탠리 밀러의 1952년 실험으로 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 이 실험은 흔히 밀러-유레이 실험이라고 불리는데, 원시 지구의 대기가 주로 메탄, 암모니아, 수소로 구성되어 있다고 가정하고 여기 이 그림과 같은 장치를 만들어 원시 지구에서 물의 증발과 응결 그리고 전기 방전(번개) 같은 과정을 통해 유기물이 만들어질 수 있는 가를 확인한 실험입니다. 이 실험 결과물을 분석한 결과 20여종 이상의 아미노산이 검출되었습니다. 이로부터 무기물로부터 자연적인 과정을 통해 유기물이 만들어질 수 있음은 확인되었습니다.  하지만, 분석된 아미노산이 실제 생명체에게서 발견되는 아미노산과는 달랐습니다. 이는 실제의 원시 대기의 성분이 밀러가 생각했던 것과는 상당히 차이가 있음을 암시하는 것이었습니다. 요즘의 과학자들은 원시 지구의 대기는 당초 생각했던 것처럼 메탄이나 암모니아보다는 수증기와 함께 이산화탄소 및 황화수소 가스로 주로 이루어져 있었을 것으로 생각되고 있습니다.

이들보다 조금 뒤 시드니 폭스와 카오루 하라다가 비슷한 실험 결과를 냈으며, 특히 폭스는 증발과정을 통해 단순 아미노산보다 좀 더 복잡한 준단백질, 즉 프로테노이드(protenoid)를 합성하였습니다.

[slide #8]

현대의 대부분의 생명 기원설은 오파린-할데인 가설에서부터 시작합니다. 즉, 지금과는 매우 다른 환원 환경에서 최초의 생명의 탄생은 무기물로부터 화학적인 반응을 통해 유기물이 만들어지고, 이 유기물들이 모여 좀 더 커다란 복합체를 만들면서 시작되었다는 것입니다. 하지만, 아직까지 생명의 탄생에 대한 표준 모델은 없습니다. 현재 존재하는 많은 가설들 사이에서 논쟁이 되는 점은 과연 최초의 유기물은 지구에서 만들어졌는지, 유기물의 합성을 위한 에너지는 어떻게 공급되었는지, 어떻게 처음의 단위체 유기물들이 결합하여 중합체를 형성하였는지, 그리고 이 중합체가 어떻게 대사와 복제가 가능한 생명체로 발전하게 되었는 가에 대한 점입니다. 이들 논점들에 대한 보다 자세한 설명은 이에 대한 전문 서적을 참고하거나, 여기 이 링크의 문서를 참조하기 바랍니다.

[slide #9]

지구의 나이는 대략 45 내지 46억년 정도 됩니다. 지구상의 최초 생명체 기록은 지구의 탄생 후 약 10억년이 흐른 35억년 전 하데안 시기에 형성된 호주 아펙스 처어트 층에서 발견된 화석 비슷한 물체일지도 모릅니다. 이 사진은 호주 아펙스 층의 모습과 그 안에서 발견된 화석이라고 믿어지는 것의 모습입니다. 이 필라멘트처럼 생긴 것은 스트로마톨라이트를 만든 미생물인 사이아노박테리아와 유사한 것으로 추정되었습니다.  하지만, 이 물질을 조심스럽게 분석한 결과는 이 물질이 석영 및 적철석과 광물로 되어 있어, 이 것은 그냥 틈을 매운 무기물이지 실제로 화석이 이 아닐 수도 있다는 주장도 있었습니다.

[slide #10]

화석이라는 주장은 여기 이 첫 번째 링크의 문서를 읽어보시고, 화석이 아닐 수도 있다는 주장은 여기 두 번째 링크의 문서를 읽어보시기 바랍니다.

[slide #9]

만일 아펙스 처트에서 발견된 것이 정말로 화석이라면, 이 아펙스 화석은 가장 원시적인 미생물보다 훨씬 복잡한 구조를 갖는 것으로, 이로 볼 때, 최초의 생명체 탄생은 이보다 한참 전이었음을 짐작하게 합니다.

[slide #11]

카나다 퀘벡 지역의 누부에이지잇턱 그린스톤 벨트에는 일련의 변성 퇴적암이 산출되는데 그 중에는 여기 이 사진에서 보는 것과 같은 banded iron formation이라 부르는 호상철광층이 포함되어 있습니다.  이 철광층은 대략 37억년 내지 42억년 전에 퇴적된 것으로 추정되는데, 학자들은 이 철광층의 일부인 처어트에서 아펙스 처어트에서 본 것과 비슷한 물질을 발견하고 이를 미화석이라고 하였습니다.  이 물질이 실제 화석인지와는 별개로, 많은 학자들은 이 철광층이 생명체에 의한 대기 중의 산소 집적이 일어나는 시기에 만들어졌으며, 사이 사이에 퇴적된 처어트도 당시 생물의 유해가 퇴적되어 만들어졌다고 주장하는 경우도 많습니다.  어찌되었던 이 호상철광층의 존재가 당시 이미 생명체가 존재하고 있었음을 나타내는 좋은 간접적 증거라고 할 수 있습니다.

[slide #12]

미국 글래시어 국립공원에 있는 사이예 층에는 스트로마토라이트가 산출됩니다.  이 스트로마토라이트의 연령은 약 35년 정도 된 것으로 추정되는데, 학자들은 이 안에서도 화석화된 미생물을 발견하였다고 주장하였습니다.  스트로마토라이트는 사이아노박테리아라는 미생물이 현재에도 만드는 일종의 석회석 마운드입니다. 역시 마찬가지로 미생물 화석의 진위 여부는 차치하고라고, 스토로마이트의 존재는 그 당시 이미 사이아노박테리아와 같은 생명체가 존재하였음을 증명하는 것입니다.  참고로 발견된 미생물 화석은 현재의 사아노박테리아와 매우 비슷한 모습을 갖고 있습니다.

지금까지의 초기 생명체에 관련된 증거를 살펴보았을 때, 미생물 화석의 존재 여부는 불확실하다 하더라도, 당시 이미 꽤 복잡한 형태를 가춘 생명체가 존재하였음을 지시합니다.  학자들은 아마도 대양이 만들어지고 얼마 지나지 않아 생명체가 탄생하였을 것이라고 짐작하고 있습니다. 하지만 지구의 진화 초기 수 많은 소행성 조각 및 혜성들이 지구에 떨어졌을 것이며, 이러한 대규모 운석 및 혜성의 충돌은 약 39-40억년 전까지 계속된 것으로 추측됩니다. 이러한 대규모 충돌은 당시의 바다를 완전 증발시킬 정도로 격렬하였을 것이며, 이는 혹시 그 전에 탄생한 생명이 있더라도 모두 멸종시켰을 것입니다. 만일 지구에서 생명의 탄생이 지표 가까운 곳에서 이루어졌다면,  지금 현재 지구상 생명체의 모태가 되는 최초 생명체의 탄생은 이들 화석 형성 시기와 대규모 운석 충돌이 끝난 시기 사이가 될 것이며, 즉 지금으로부터 40 내지 35억년 사이가 될 것입니다. 만일, 생명체가 대양저 밑의 열수공과 같은 환경에서 시작되었다면 생명체의 탄생은 40-42억년 정도까지 거슬러 올라갈 수 잇을 것으로 생각됩니다.

지금까지 지구 상에 생명이 어떻게 탄생하였고, 그 초기 생명체 들에 대한 증거가 어떠한 것들이 있는지 설명드렷습니다.  다음 시간에는 화석 기록을 통해 지구 상 생명체들에게 어떠한 변화가 있었는지 설명하도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

생명의 무기적 탄생설에 따르면, 무기물로부터 유기물이 합성되었고 이로부터 생명체가 탄생되었다고 합니다.  그렇다면 이러한 생명의 탄생이 지금도 가능할까요? 만일 가능하다면 그 증거를 어디에서 볼 수 있습니까? 만일 불가능하다면, 무슨 이유로 불가능한지 토론해봅시다.